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Abstract(s)
Since the moment humankind started venturing into the realms of space, the problems associated with Radio Frequency (RF) blackout period due to plasma sheath interactions with the spacecraft have been an unsolved issue. During this period, the spacecraft loses all the communication with the control center or satellite including voice, real-time data telemetry and GNSS navigation. Considering that continuous communication during atmospheric re-entry is crucial to ensure safety and accomplishment of manned and unmanned space missions, solutions for the mitigation of RF blackout are of high priority and a requirement for the design of future space vehicles. One solution is the use of an electromagnetic field to manipulate the plasma layer surrounding the vehicle.
In this M.Sc. thesis, an innovative CubeSat mission for the manipulation of ionospheric plasma is proposed and designed. MECSE (Magneto/Electro hydrodynamics CubeSat Experiment) aims to confirm in space that the electron density of the plasma layer can be reduced through the generation of an electromagnetic field.
From a systems engineering perspective, the early phases of MECSE mission are fully designed (phases 0, A and B1 of ESA’s project lifecycle). Starting with mission characterization, the scientific case is presented and the feasibility of the mission is studied based on tradespace exploration methods. Then, the mission objectives, requirements and figures of merit are defined. The mission analysis is performed considering a reference orbit from a launch survey. In the end, a preliminary design of the spacecraft is presented including the analyses performed for the subsystems, the concept of operations and the definition of system requirements.
This M.Sc. thesis also focusses on the study of orbital lifetime predictions for a CubeSat. The impact of using different solar and geomagnetic activity models proposed by standard guidelines is investigated using STK and DRAMA software and compared against historical data from already decayed CubeSats. It is concluded that there are still large deviations between the results provided by different models and that the satellite parameters recommended by the guidelines are not suitable when predicting accurately the orbital lifetime of a CubeSat. The orbital lifetime of MECSE nanosatellite is predicted and the effects of variations in orbital and satellite parameters are evaluated.
Desde o começo da aventura da humanidade no espaço que os problemas associados ao período de blackout de comunicações são uma questão por resolver. Durante este período, o veículo espacial perde toda a comunicação com o centro de controlo ou satélite, incluindo voz, dados de telemetria em tempo real e navegação GNSS. Uma vez que a comunicação contínua é um fator crítico para garantir a segurança e o sucesso de missões espaciais tripuladas e não tripuladas, torna-se essencial encontrar soluções para a mitigação do blackout de comunicações. De facto, estas soluções são de extrema importância e já consideradas um requisito no desenvolvimento de futuros veículos espaciais. Uma solução é a utilização de um campo eletromagnético para manipular a camada de plasma que se forma em volta do veículo. Nesta tese de mestrado, uma inovadora missão CubeSat para a manipulação do plasma ionosférico é proposta e projetada. MECSE (Experimento de Magneto/Electro hidrodinâmica em Cubesat) tem o objetivo de provar no espaço que a densidade eletrónica da camada de plasma pode ser reduzida através da geração de um campo eletromagnético. De uma perspetiva de engenharia de sistemas, as fases inicias da missão MECSE são projetadas (fases 0, A e B1 do ciclo de vida da ESA). Começando por uma caracterização da missão, o caso científico é apresentado e a viabilidade da missão é estudada com base em métodos de exploração científica e tecnológica. De seguida, os objetivos de missão, requisitos e figuras de mérito são definidos. A análise de missão é feita considerando uma órbita referência baseada em pesquisa de lançamentos. No fim, um design preliminar do satélite é apresentado incluindo as análises realizadas para os subsistemas, o conceito de operações e a definição dos requisitos de sistema. Esta tese de mestrado foca-se ainda em estudar a previsão do tempo de vida orbital de um CubeSat. O impacto de usar diferentes modelos recomendados pelas diretrizes standard para a atividade solar e geomagnética é investigado usando STK e DRAMA softwares e comparado com dados históricos de CubeSats que já reentraram. É concluído que ainda existem enormes variações nos resultados de diferentes modelos e que os parâmetros de satélite recomendados pelas directrizes não são adequados para prever o tempo de vida orbital com precisão. O tempo de vida do satélite MECSE é previsto e os efeitos de variações em parâmetros orbitais e de satélite são avaliados.
Desde o começo da aventura da humanidade no espaço que os problemas associados ao período de blackout de comunicações são uma questão por resolver. Durante este período, o veículo espacial perde toda a comunicação com o centro de controlo ou satélite, incluindo voz, dados de telemetria em tempo real e navegação GNSS. Uma vez que a comunicação contínua é um fator crítico para garantir a segurança e o sucesso de missões espaciais tripuladas e não tripuladas, torna-se essencial encontrar soluções para a mitigação do blackout de comunicações. De facto, estas soluções são de extrema importância e já consideradas um requisito no desenvolvimento de futuros veículos espaciais. Uma solução é a utilização de um campo eletromagnético para manipular a camada de plasma que se forma em volta do veículo. Nesta tese de mestrado, uma inovadora missão CubeSat para a manipulação do plasma ionosférico é proposta e projetada. MECSE (Experimento de Magneto/Electro hidrodinâmica em Cubesat) tem o objetivo de provar no espaço que a densidade eletrónica da camada de plasma pode ser reduzida através da geração de um campo eletromagnético. De uma perspetiva de engenharia de sistemas, as fases inicias da missão MECSE são projetadas (fases 0, A e B1 do ciclo de vida da ESA). Começando por uma caracterização da missão, o caso científico é apresentado e a viabilidade da missão é estudada com base em métodos de exploração científica e tecnológica. De seguida, os objetivos de missão, requisitos e figuras de mérito são definidos. A análise de missão é feita considerando uma órbita referência baseada em pesquisa de lançamentos. No fim, um design preliminar do satélite é apresentado incluindo as análises realizadas para os subsistemas, o conceito de operações e a definição dos requisitos de sistema. Esta tese de mestrado foca-se ainda em estudar a previsão do tempo de vida orbital de um CubeSat. O impacto de usar diferentes modelos recomendados pelas diretrizes standard para a atividade solar e geomagnética é investigado usando STK e DRAMA softwares e comparado com dados históricos de CubeSats que já reentraram. É concluído que ainda existem enormes variações nos resultados de diferentes modelos e que os parâmetros de satélite recomendados pelas directrizes não são adequados para prever o tempo de vida orbital com precisão. O tempo de vida do satélite MECSE é previsto e os efeitos de variações em parâmetros orbitais e de satélite são avaliados.
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Keywords
Análise de Missão Análise Orbital Blackout de Comunicações Ciclo de Vida Cubesat Deisgn Preliminar Design de Missão Drama Engenharia de Sistemas Janela Magnética Manipulação Electromagnética Plasma Re-Entrada Redução da Densidade Eletrónica Satélite Stk